IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2017

ДВУХЗОННЫЕ СИСТЕМЫ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

Каждая зона двухзонной системы горячего водоснабжения, как правило, представляет собой самостоятельную систему со своими водонагревательными установками и насосами. Такие системы существуют в различных вариациях:

система горячего водоснабжения с постоянно работающими насосами верхней зоны (рис. 7.4, а);

система горячего водоснабжения с устройством общего повысительного насоса (рис. 7.4,6), который является повысительным для нижней зоны и первой ступенью для второй зоны;

система горячего водоснабжения, в которой приготовление горячей воды производится в общей водонагревательной установке, а повысительный насос верхней зоны одновременно выполняет и функции циркуляционного (рис. 7.5);

система горячего водоснабжения с естественной циркуляцией воды в верхней зоны (рис. 7.6 а,б);

система горячего водоснабжения с водонагревателями, использующими воду, циркулирующую в одной зоне, в качестве греющей для воды, циркулирующей в другой зоне(рис. 7.7 а,б,в).

В двухзонных системах горячего водоснабжения типа представленной на рис. 7.4 возникают трудности в подборе циркуляционных насосов верхних зон, когда в циркуляционной линии поддерживается высокое давление, которое требует применения в насосном оборудовании специальных сальниковых уплотнителей. [1]

Более совершенной является схема двухзонной системы горячего водоснабжения типа представленной на рис. 7.5. Преимуществами этой схемы перед предыдущей является сравнительно низкое давление воды в водонагревателе, предотвращение опрокидывания циркуляции в нижней зоне системы, меньшее число единиц тепломеханического

оборудования и более высокий коэффициент его использования. [1]

Рис.7.4.Двухзонная система горячего водоснабжения

1 — ввод; 2 — повысительный насос нижней зоны; 3 — то же, верхней; 4,5 – соответственно I и II ступени водонагревателя нижней зоны; 6, — то же, верхней зоны; 8,9 – циркуляционные насосы соответственно нижней и верхней зон; 10,11 – подающий трубопровод соответственно нижней и верхней зон; 12- водоразборные стояки; 13,14 – циркуляционный трубопровод соответственно нижней и верхней зон

Рис.7.5.Схема двухзонной системы с общей водонагревательной установкой

1 — ввод; 2 — повысительный насос; 3,4 — водонагреватель; 5 – циркуляционно-повысительный насос верхней зоны; 6 — циркуляционный насос нижней зоны;7 – главный стояк верхней зоны; 8 – водоразборные стояки; 9,10 – циркуляционные трубопроводы соответственно нижней и верхней зон

Для двухзонных систем горячего водоснабжения могут быть применены схемы с естественной циркуляцией воды в верхней зоны (рис. 7.6), в которых для обеспечения циркуляционного режима используются догреватели теплообменники (7, 9 на рис. 7.6, а) или баки-аккумуляторы тепла (13 на рис. 7.6,б). Применение последней схемы позволяет производить присоединение двухзонных систем к однозонным квартальным сетям горячего водоснабжения. При этом повысительный насос 2 (рис. 7.6, б) устанавливается в подвале здания или в отдельно стоящем здании насосной. Эта схема позволяет в помещении насосной станции не устанавливать водонагреватели и не подводить к ним теплосеть. [1]

Рис.7.6. Принципиальные схемы двухзонных тупиковых систем горячего водоснабжения с индивидуальными догревателями циркуляционной воды (а)и с баком-аккумулятором (б)

Недостатком этой схемы является необходимость постоянной работы повысительного насоса 2, так как наличие малейших утечек воды из системы не позволяет остановить насос даже в ночное время. Кроме того, бак-аккумулятор, устанавливаемый в подвале здания, неудобен при необходимости его замены, так как больших проемов в стенах подвала, как правило, не делают, а сваривать бак-аккумулятор на повышенные давления воды в подвале нерационально.

Если ЦТП и квартальная сеть обслуживает только высотные здания, может быть применена система, показанная на рис. 7.7, а. Снабжение горячей водой верхней и нижней зон производится от одного подающего 1 и одного циркуляционного 2 трубопроводов квартальной сети. Подача воды в нижнюю зону производится по главному стояку 3 через регулятор давления 4, понижающий давление воды до необходимого для нижней зоны. Подача горячей воды в верхнюю зону производится по главному стояку 5, причем вода сначала проходит через теплообменник 9 (скоростной водонагреватель). При отсутствии водоразбора вода циркулирует через верхнюю зону и поступает в циркуляционную магистраль 2 квартальной сети. В нижней зоне под действием гравитационного напора вода из водоразборных стояков 6 по циркуляционному трубопроводу 8 поступает в водонагреватель 9, где подогревается водой, циркулирующей в верхней зоне. [1]

Недостатком этой схемы является небольшой гравитационный напор, из-за которого происходит циркуляция воды в нижней зоне. Поэтому монтаж системы следует производить особенно тщательно, так как наличие каких-либо неучтенных сопротивлений в трубопроводах сокращает циркуляцию в системе и может привести к большому охлаждению воды.

Более рациональна для применения схема системы, показанная на рис. 7.7,б. В ней использован тот же принцип нагрева циркулирующей воды, но гравитационная циркуляция осуществляется через верхнюю зону. В нижней зоне вода циркулирует под действием циркуляционного насоса, в ЦТП или ИТП. В этой схеме необходима прокладка двух подающих трубопроводов от ЦТП (ИТП) до зданий, так как установка повысительного насоса 10 в каждом здании нерациональна. [1]

Наиболее совершенной представляется система этого типа, показанная на рис. 7.7, в. Она предназначена для применения в зданиях с ИТП. Повысительный насос верхней зоны 10 является одновременно и циркуляционным. Для сокращения объема циркуляции на циркуляционном трубопроводе 7 устанавливается участок повышенного сопротивления либо диафрагму. [1]

Рис.7.7. Схемы двухзонных систем горячего водоснабжения с использованием горячей воды в качестве подогревающей для циркуляции одной из зон

Список использованных источников

1.Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения/И. Н. Чистяков, М. М. Грудзинский, В. И. Ливчак и др. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1988.

Схемы двухтрубных систем отопления для частного дома

За многими монтажниками водится грешок предубежденности. Например, мастер считает однотрубную разводку самой лучшей и предлагает ее всем заказчикам — хозяевам частных домов. За подобными предложениями нередко скрывается низкая квалификация исполнителя либо какая-то выгода. Наша задача – рассмотреть, как работает двухтрубная система отопления, объективно оценить преимущества и недостатки, дать рекомендации по выбору схемы.

Как работает отопление по двухконтурной схеме

Конструкция двухтрубной системы водяного отопления предполагает подачу и отвод теплоносителя от каждого радиатора по двум отдельным магистралям. Упрощенно: входной патрубок батареи подключен к подающей линии, выходной – к обратной. По первому трубопроводу нагретая вода из котла раздается всем отопительным приборам, вторая труба собирает остывший теплоноситель и направляет обратно в теплогенератор.

Пример раздачи и возврата теплоносителя от батарей по двум линиям

Особенности двухконтурного распределения воды:

• если все элементы системы рассчитаны правильно, то каждый радиатор получает теплоноситель одинаковой температуры;
• изменение протока воды через одну батарею вследствие регулировки мало влияет на работу соседних отопительных приборов;
• число радиаторов на одной ветви может достигать 40 шт. при условии, что производительность насоса и диаметр подводящих труб обеспечивает расчетный расход воды.

Примечание. Цифра 40 взята на основании практического опыта проектирования и монтажа отопления в производственном цехе. В загородных коттеджах столько приборов к одной ветви не подключается, максимум – 10 шт. Если надо сделать разводку по многоэтажному зданию, сеть теплоснабжения делится на несколько двухтрубных контуров.

Движение воды по трубам и батареям обеспечивается двумя способами – естественным (конвекционным) и принудительным. Вариантов подвода теплоносителя тоже существует несколько, поэтому предлагаем рассмотреть каждую схему отдельно.

Двухтрубная классическая разводка закрытого типа — подключение к напольному котлу

4 вида 2-трубных систем

В зависимости от условий прокладки трубопроводов и дальнейшей эксплуатации в частных домах используются следующие варианты двухтрубных схем:

1. Гравитационная или самотечная с естественной циркуляцией нагретой воды.
2. Классическая тупиковая система отопления.
3. Кольцевая с попутным движением теплоносителя, она же – петля Тихельмана.
4. Лучевая с индивидуальной раздачей тепла радиаторам от распределительного коллектора.

Заметка. К двухтрубному отоплению можно отнести и теплые полы. Греющие контуры выступают в качестве батарей, роль магистралей играют подводящие трубы и гребенка со смесительным узлом. По конструкции напольный обогрев близок к коллекторной схеме.

В самотечном исполнении система функционирует без избыточного давления, теплоноситель контактирует с атмосферой через открытый расширительный бак. Остальные 3 варианта схем – замкнутые, работающие под давлением 1—2.5 Бар и только с принудительной циркуляцией горячей воды. Теперь разберем каждую схему на конкретном примере двухэтажного дома.

Самотечное отопление

Принцип работы системы с естественным движением теплоносителя базируется на явлении конвекции – горячая и менее плотная жидкость стремится подняться вверх по трубе, вытесняемая более тяжелыми холодными слоями. Котел греет воду, она становится легче и движется через вертикальный стояк со скоростью 0.1—0.3 м/с, затем расходится по магистралям и батареям.

Уточнение. Подразумевается, что нагреваемая и охлажденная жидкость находится в пределах одного замкнутого контура, в данном случае таковым выступает отопительная сеть частного дома.

Перечислим характеристики двухтрубной гравитационной системы двухэтажного здания, показанной на чертеже:

1. Способ прокладки магистралей — горизонтальная верхняя разводка, берущая начало от общего стояка. Последний поднимается от котла, в самой высокой точке расположен расширительный бак, сообщающийся с атмосферой.
2. Горизонтальные участки проложены с минимальным уклоном 3 мм на метр погонный магистрали. Подача наклонена в сторону радиаторов, обратка – к источнику тепла.
3. Диаметры труб увеличены по сравнению с напорными системами, поскольку рассчитаны на малую скорость течения воды.

Важный нюанс. Чтобы реализовать устойчивый самотек, нужно применять трубы Ø40—50 мм (внутренний). Минимально допустимый диаметр раздающих и собирающих ветвей – Ду25, ставится около последних батарей.

В одноэтажном доме используется аналогичная схема, но с одиночным подключением радиаторов. Подающий коллектор верхней разводки прокладывается на чердаке либо под потолком, обратный – над полом. Сделать нижнюю разводку нельзя – теплоноситель согласно закону сообщающихся сосудов затечет в батареи, но скорость движения и эффективность обогрева упадет до минимума.

Нынешние гравитационные схемы стали комбинированными благодаря установке циркуляционных насосов. Агрегат монтируется на байпасе, чтобы не мешать течению воды в случае отключения электроэнергии.

Тупиковые отопительные ветви

Двухтрубная закрытая система плечевого (тупикового) типа монтируется в большинстве загородных коттеджей и нередко применяется в новых многоквартирных домах. Как устроена схема:

1. Радиаторная сеть представляет собой одну или несколько двухтрубных ветвей. Теплоноситель направляется к приборам отопления по одной магистрали, а возвращается по второй.
2. Система работает с избыточным давлением 1—2.5 Бар, циркуляцию обеспечивает насос, установленный возле котла.
3. Расширение воды компенсирует бак мембранного типа, расположенный в котельной. Точка врезки – на трубопроводе перед циркуляционным насосом (если смотреть по течению жидкости).
4. Сброс воздуха из сети происходит через краны Маевского на батареях и автоматический клапан в составе группы безопасности отопительного агрегата. Там же находится манометр и предохранительный клапан.
5. Распространенный вариант разводки – нижняя горизонтальная, когда обе трубы проходят под радиаторами открытым способом.

Классическая тупиковая система с нижней разводкой. Но магистрали можно прокладывать и поверху – под потолком первого этажа

Замечание. При необходимости тупиковые магистрали без проблем прокладываются закрытым способом — в бороздах стяжки пола, за подвесными потолками либо внутри стен.

Если необходимо распределить теплоноситель на 2 крыла двухэтажного здания, производится разделение на 4 отдельных ветви (плеча), сходящихся к общему стояку. Примечательно, что протяженность линий и тепловая нагрузка на плечи вовсе не должна быть одинаковой. Количество батарей и трасса прокладки разрабатывается с учетом особенностей конкретного здания.

Ветви с разным числом радиаторов уравновешиваются путем балансировки – ограничения потока регулировочной арматурой. Вентили всегда ставятся на выходах батарей и при нужде – на плечо в целом. Как правильно сбалансировать контуры, читаем на другой странице нашего ресурса.

Разводка тупиковых линий на 2 крыла двухэтажного здания. Источник тепла — настенная мини-котельная

Кольцо Тихельмана

Общий принцип работы этой схемы идентичен тупиковой разводке, но способ раздачи и возврата теплоносителя отличается по 3 признакам:

1. Каждый контур отопления замкнут в кольцо.
2. Метод подключения батарей следующий: первый радиатор на подаче является последним для обратной линии. И наоборот, конечная батарея раздающей магистрали становится первой для обратки.
3. Вода в обоих трубопроводах движется в одном направлении, отсюда техническое название системы – попутная.

Кольцевая двухтрубная разводка уместна при большом количестве отопительных приборов

Устройство петли Тихельмана предполагает горизонтальную нижнюю разводку – скрыто под полом, реже – открыто по стенам. Еще вариант: кольцо можно сделать под перекрытием, спрятав за натяжные потолки или в подвал, а трубные подводки вывести к обогревателям.

Особенность кольцевой «попутки» – почти идеальное гидравлическое равновесие. Заметьте: по дороге ко всем батареям и назад теплоноситель преодолевает одинаковое расстояние. Контур способен обеспечить требуемый расход воды на 10 и более радиаторов с минимальной балансировкой.

Автор видео хорошо поясняет работу системы, но проводит некорректное сравнение – правильно отбалансированные ветви раздают тепло не хуже «попутки».

Лучевой способ подключения

Этот наиболее прогрессивный тип двухтрубной системы водяного отопления включает следующие элементы:

• обогреватели – обычные батареи, внутрипольные конвекторы либо отдельные контуры теплых полов;
• 2 коллектора – подающий и обратный, снабженные расходомерами и термостатическими вентилями;
• индивидуальные двухтрубные подводки, проложенные от коллектора к обогревательным приборам по кратчайшему пути (под полом или потолком, в перекрытии).

При большой протяженности радиаторных подводок их диаметр лучше увеличить до 20 мм (внутренний DN15)

Коллектор, установленный в удобном месте, получает и возвращает воду котлу по двум основным магистралям. С помощью вентилей производится настройка расхода теплоносителя на каждую батарею. Если на клапаны коллектора установить термоголовки RTL либо сервоприводы, появится возможность автоматической регулировки климата в любой комнате и здании в целом.

Плюсы и минусы двухтрубных разводок

Для удобства восприятия мы объединили достоинства и недостатки всех вышеописанных систем в один раздел. Вначале перечислим ключевые положительные моменты:

1. Единственное преимущество самотека перед другими схемами – независимость от электричества. Условие: нужно подобрать энергонезависимый котел и произвести обвязку без подключения к домовой электросети.
2. Плечевая (тупиковая) система – достойная альтернатива «ленинградке» и прочим однотрубным разводкам. Главные достоинства – универсальность и простота, благодаря которой двухтрубная отопительная схема дома 100—200 м² без проблем монтируется своими руками.
3. Основные козыри петли Тихельмана – гидравлическое равновесие и способность обеспечивать теплоносителем большое число радиаторов.
4. Коллекторная разводка – лучшее решение для скрытой прокладки труб и полной автоматизации работы отопления.

Лучший способ спрятать трубы — заложить их под стяжку пола

Примечание. Последние 3 схемы легко скомбинировать с контурами водяного напольного обогрева. Совмещать гравитационную радиаторную сеть с теплыми полами не всегда целесообразно – без электроэнергии принудительная циркуляция в греющих контурах невозможна.

Кратко выделим общие плюсы лучевой, попутной и тупиковой системы:

• небольшие сечения раздающих труб;
• гибкость с точки зрения прокладки, то есть, линии могут проходить по различным маршрутам – в полах, вдоль и внутри стен, под перекрытием;
• для монтажа подойдут различные пластиковые либо металлические трубы: полипропилен, сшитый полиэтилен, металлопластик, медь и гофрированная нержавейка;
• все 2-трубные сети хорошо поддаются балансировке и тепловому регулированию.

Чтобы запрятать трубные подводки, нужно прорезать борозды в стене

Отметим второстепенный плюс самотечной разводки – простота заполнения и удаления воздуха без применения клапанов и кранов (хотя с ними развоздушивать систему проще). Вода медленно подается через штуцер в нижней точке, воздух постепенно вытесняется из трубопроводов в расширительный бак открытого типа.

Теперь о значимых недостатках:

1. Схема с естественным движением воды громоздкая и дорогая. Понадобятся трубы с внутренним диаметром 25…50 мм, монтируемые с большим уклоном, в идеале – стальные. Скрытая прокладка сильно затруднена – большинство элементов окажется на виду.
2. В монтаже и эксплуатации тупиковых ветвей существенных минусов не обнаружено. Если плечи сильно отличаются по длине и числу батарей, равновесие восстанавливается путем глубокой балансировки.
3. Магистрали кольцевой разводки Тихельмана всегда пересекают дверные проемы. Приходится делать обходные петли, где впоследствии может скапливаться воздух.

На плане дома видно, что попутная водяная система пересекает 2 дверных проема

Разводка лучевого типа требует финансовых затрат на оборудование – коллекторы с клапанами и ротаметрами плюс средства автоматизации. Альтернатива – сборка гребенки из полипропилена либо бронзовых тройников своими руками.

Дополнение. Для автоматического регулирования теплоотдачи батарей при самотеке понадобятся специальные радиаторные клапаны с увеличенным проходным сечением.

Какую схему лучше выбрать

Подбор разводки выполняется с учетом многих факторов – площади и этажности частного дома, выделяемого бюджета, наличия дополнительных систем, надежности электроснабжения и так далее. Дадим ряд общих рекомендаций по выбору:

1. Если планируется собирать отопление самостоятельно, лучше остановиться на двухтрубной плечевой системе. Она прощает новичкам множество ошибок и будет работать, несмотря на допущенные огрехи.
2. При высоких требованиях к интерьеру комнат возьмите за основу коллекторный тип разводки. Гребенку спрячете в стеновом шкафу, магистрали разведете под стяжкой. В двух– или трехэтажном особняке желательно установить несколько гребенок – по одной на этаж.

При лучевой разводке коллектор желательно расположить в центре дома

Частые перебои с подачей электроэнергии не оставляют выбора – нужно собирать схему с естественной циркуляцией (самотек).

Система Тихельмана уместна в строениях большой площади и количеством обогревательных панелей. Монтировать петлю в малых зданиях нецелесообразно с финансовой точки зрения.

Для небольшого дачного домика или бани отлично подойдет тупиковый вариант разводки с открытой прокладкой трубопроводов.

Совет. Отопление дачи на 2—4 маленьких комнаты можно организовать с помощью однотрубной горизонтальной системы с нижней разводки – «ленинградки».

Если коттедж планируется отапливать радиаторами, теплым полом и водяными калориферами, стоит взять на вооружение тупиковый либо коллекторный вариант разводки. Две указанные схемы легко комбинируются с другим отопительным оборудованием.

Как рассчитать диаметр труб

При устройстве тупиковой и коллекторной разводки в загородном доме площадью до 200 м² можно обойтись без скрупулезных расчетов. Сечение магистралей и подводок принимайте согласно рекомендациям:

• чтобы подать теплоноситель к радиаторам в здании 100 квадратов и менее, достаточно трубопровода Ду15 (наружный размер 20 мм);
• подводки к батареям делаются сечением Ду10 (внешний диаметр 15—16 мм);
• в двухэтажном доме 200 квадратов раздающий стояк делается диаметром Ду20—25;
• если количество радиаторов на этаже превышает 5 шт., делите систему на несколько ветвей, отходящих от стояка Ø32 мм.

Совет. Выше на примерах схем довольно точно проставлены диаметры магистралей и подводок. Указанную информацию можете использовать при разработке проекта отопления жилища.

Самотечная и кольцевая система разрабатывается согласно иженерным расчетам. Если вы хотите определить сечение труб самостоятельно, первым делом посчитайте нагрузку на отопление каждого помещения с учетом вентиляции, затем выясните требуемый расход теплоносителя по формуле:

• G – массовый расход нагретой воды на участке трубы, питающей радиаторы конкретной комнаты (или группы помещений), кг/ч;
• Q – количество теплоты, потребное для обогрева данной комнаты, Вт;
• Δt – расчетный перепад температур на подаче и в обратке, принимайте 20 °С.

Пример. Для прогрева второго этажа до температуры +21 °С необходимо 6000 Вт тепловой энергии. Стояк отопления, проходящий через перекрытие, должен приносить 0.86 х 6000 / 20 = 258 кг/ч горячей воды из котельной.

Зная часовое потребление теплоносителя, нетрудно рассчитать сечение подводящего трубопровода по формуле:

• S – площадь искомого сечения трубы, м²;
• V – расход горячей воды по объему, м³/ч;
• ʋ– скорость течения теплоносителя, м/с.

Справка. Скорость движения теплоносителя в напорных системах с циркуляционным насосом принимается из диапазона 0.3…0.7 м/с. При самотеке течение медленнее – 0.1…0.3 м/с.

Продолжение примера. Посчитанный расход 258 кг/ч обеспечивается насосом, скорость воды берем 0.4 м/с. Площадь поперечного сечения подающего трубопровода равна 0.258 / (3600 х 0.4) = 0.00018 м². Пересчитываем сечение в диаметр по формуле площади круга, получаем 0.02 м – труба Ду20 (наружный – Ø25 мм).

Заметьте, мы пренебрегли разницей плотностей воды при различной температуре и подставили в формулу значение массового расхода. Погрешность невелика, при кустарном расчете вполне допускается.

Заключительный вывод

Практика показывает, что 2-трубная тупиковая система подходит для отопления большинства средних жилых домов. Техническое решение подкупает простотой и приемлемой стоимостью монтажных работ. Коллекторная и попутная разводка обойдется дороже – играет роль цена оборудования и протяженность линий. Взгляните на схему с петлей Тихельмана – распределяющие трубопроводы одинакового диаметра идут по всему периметру здания.

Отдельный разговор — двухтрубная система отопления с естественной циркуляцией воды. В условиях частых перебоев с электроэнергией лучше не рисковать и не гнаться за красотой интерьеров, а смонтировать энергонезависимый обогрев. Высокие первоначальные вложения компенсируются теплом и низким потреблением электричества.